碳基芯片(piàn)研發(fà)，石(dàn)墨(mò)烯晶體(tǐ)管(guǎn)制作(zuò)，石(dàn)墨(mò)烯被稱之(zhī)为(wèi)21世紀的(de)神奇材料

 

　　石(dàn)墨(mò)烯的(de)超導性(xìng)被發(fà)現(xiàn)

 

　　而(ér)物理(lǐ)材料不(bù)同(tóng)，導電(diàn)性(xìng)也不(bù)同(tóng)，目前想(xiǎng)要(yào)实現(xiàn)物體(tǐ)超導性(xìng)能(néng)，一(yī)般只(zhī)有(yǒu)在(zài)低(dī)温(wēn)或(huò)者(zhě)高(gāo)温(wēn)的(de)情(qíng)況下(xià)才会(huì)出(chū)現(xiàn)，常温(wēn)狀态下(xià)超導性(xìng)能(néng)的(de)材料並(bìng)不(bù)多(duō)。在(zài)2016年(nián)日(rì)本(běn)東(dōng)京(jīng)大(dà)學(xué)的(de)研究人(rén)員發(fà)現(xiàn)将两(liǎng)片(piàn)石(dàn)墨(mò)烯構建成(chéng)一(yī)个(gè)類(lèi)似夾心(xīn)餅干(gàn)似的(de)結構，在(zài)石(dàn)墨(mò)烯片(piàn)中插入了(le)一(yī)些(xiē)鈣原子之(zhī)後(hòu)驚奇地(dì)發(fà)現(xiàn)，这(zhè)个(gè)結構实現(xiàn)了(le)超導特(tè)性(xìng)，但是(shì)遺憾的(de)是(shì)該超導電(diàn)現(xiàn)象(xiàng)是(shì)發(fà)生(shēng)在(zài)-269攝氏度(dù)（4K）左(zuǒ)右(yòu)。

 

　　在(zài)这(zhè)里(lǐ)不(bù)得不(bù)说(shuō)一(yī)位(wèi)在(zài)美(měi)國(guó)麻(má)省(shěng)理(lǐ)工學(xué)院(yuàn)攻读(dú)博士的(de)中國(guó)學(xué)生(shēng)曹原，他(tā)在(zài)一(yī)次(cì)对(duì)堆(duī)疊的(de)双(shuāng)层(céng)石(dàn)墨(mò)烯進(jìn)行考察研究的(de)时(shí)候，想(xiǎng)看(kàn)看(kàn)把(bǎ)其(qí)中一(yī)层(céng)石(dàn)墨(mò)烯進(jìn)行极(jí)小角(jiǎo)度(dù)偏移的(de)时(shí)候会(huì)發(fà)生(shēng)什(shén)麼(me)現(xiàn)象(xiàng)，然後(hòu)通(tòng)过(guò)微扭不(bù)同(tóng)的(de)角(jiǎo)度(dù)，發(fà)現(xiàn)在(zài)一(yī)些(xiē)特(tè)定(dìng)的(de)角(jiǎo)度(dù)下(xià)，原本(běn)導電(diàn)的(de)石(dàn)墨(mò)烯居(jū)然變(biàn)成(chéng)了(le)绝緣體(tǐ)。这(zhè)種(zhǒng)有(yǒu)趣的(de)現(xiàn)象(xiàng)，讓他(tā)嘗試着继續扭動(dòng)着双(shuāng)层(céng)石(dàn)墨(mò)烯讓他(tā)變(biàn)成(chéng)超導體(tǐ)，沒(méi)想(xiǎng)到(dào)的(de)是(shì)居(jū)然真(zhēn)的(de)实現(xiàn)了(le)。截止今年(nián)5月(yuè)份，曹原與(yǔ)其(qí)博導已經(jīng)連(lián)續發(fà)表(biǎo)了(le)两(liǎng)篇(piān)自然文(wén)章介紹了(le)魔角(jiǎo)石(dàn)墨(mò)烯研究的(de)新突破，讓人(rén)不(bù)可(kě)置信(xìn)的(de)是(shì)，这(zhè)时(shí)候的(de)曹原只(zhī)有(yǒu)24歲。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯是(shì)什(shén)麼(me)

 

　　石(dàn)墨(mò)是(shì)什(shén)麼(me)，其(qí)实石(dàn)墨(mò)在(zài)我(wǒ)们的(de)生(shēng)活中非(fēi)常常見(jiàn)，就(jiù)連(lián)我(wǒ)们的(de)經(jīng)常使用(yòng)的(de)铅(qiān)笔(bǐ)，里(lǐ)面(miàn)的(de)笔(bǐ)芯就(jiù)是(shì)石(dàn)墨(mò)，但是(shì)它和(hé)石(dàn)墨(mò)烯有(yǒu)什(shén)麼(me)關(guān)系(xì)呢，我(wǒ)们都知道(dào)，物質(zhì)是(shì)由(yóu)不(bù)同(tóng)的(de)元(yuán)素構成(chéng)，雖(suī)然原子相同(tóng)，但是(shì)表(biǎo)現(xiàn)的(de)特(tè)性(xìng)卻並(bìng)不(bù)同(tóng)，比如(rú)我(wǒ)们生(shēng)活中需要(yào)的(de)氧气(qì)（O2）和(hé)臭氧（O3），雖(suī)然都是(shì)由(yóu)氧原子構成(chéng)的(de)，但是(shì)氧气(qì)可(kě)以(yǐ)讓我(wǒ)们生(shēng)存，並(bìng)且(qiě)無色(sè)無味，而(ér)臭氧卻是(shì)完全(quán)不(bù)同(tóng)的(de)特(tè)性(xìng)，我(wǒ)们把(bǎ)这(zhè)種(zhǒng)稱之(zhī)为(wèi)“同(tóng)素异(yì)形體(tǐ)”。

 

　　而(ér)石(dàn)墨(mò)也是(shì)一(yī)種(zhǒng)“同(tóng)素异(yì)形體(tǐ)”，因(yīn)为(wèi)碳原子結構的(de)不(bù)同(tóng)，在(zài)晶體(tǐ)中同(tóng)层(céng)碳原子間(jiān)以(yǐ)sp2杂化(huà)形成(chéng)共(gòng)價键，每个(gè)碳原子與(yǔ)另(lìng)外(wài)三(sān)个(gè)碳原子相連(lián)，六(liù)个(gè)碳原子在(zài)同(tóng)一(yī)平面(miàn)上(shàng)形成(chéng)正六(liù)邊(biān)形的(de)环(huán)，伸展(zhǎn)形成(chéng)片(piàn)层(céng)結構。那(nà)我(wǒ)们常说(shuō)的(de)石(dàn)墨(mò)烯是(shì)什(shén)麼(me)，和(hé)石(dàn)墨(mò)有(yǒu)什(shén)麼(me)区别呢？其(qí)实石(dàn)墨(mò)烯在(zài)英國(guó)曼徹斯特(tè)大(dà)學(xué)物理(lǐ)學(xué)家(jiā)安(ān)德烈·蓋姆和(hé)康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用(yòng)微機(jī)械剝離法(fǎ)成(chéng)功從石(dàn)墨(mò)中分(fēn)離出(chū)石(dàn)墨(mò)烯，因(yīn)此(cǐ)共(gòng)同(tóng)獲得2010年(nián)諾貝爾物理(lǐ)學(xué)獎。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯在(zài)生(shēng)活中的(de)應(yìng)用(yòng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯被稱之(zhī)为(wèi)世界上(shàng)最(zuì)輕(qīng)、最(zuì)強(qiáng)、最(zuì)薄的(de)材料，雖(suī)然厚度(dù)只(zhī)有(yǒu)0.2nm左(zuǒ)右(yòu)，但是(shì)它的(de)強(qiáng)度(dù)比最(zuì)好(hǎo)的(de)鋼(gāng)材都要(yào)強(qiáng)上(shàng)200倍，導電(diàn)性(xìng)是(shì)矽的(de)100倍(就(jiù)電(diàn)子遷移率而(ér)言)；而(ér)且(qiě)其(qí)韌性(xìng)也非(fēi)常強(qiáng)，拉伸的(de)幅度(dù)能(néng)夠达(dá)到(dào)自身(shēn)的(de)尺寸(cùn)的(de)20%左(zuǒ)右(yòu)，使用(yòng)其(qí)做的(de)防彈衣(yī)或(huò)者(zhě)裝(zhuāng)甲、超級吊绳(shéng)常用(yòng)的(de)材料，不(bù)光(guāng)輕(qīng)便，而(ér)且(qiě)強(qiáng)度(dù)也非(fēi)常高(gāo)。石(dàn)墨(mò)烯是(shì)從石(dàn)墨(mò)材料中剝離出(chū)来(lái)的(de)，由(yóu)碳原子以(yǐ)sp杂化(huà)軌道(dào)組成(chéng)六(liù)角(jiǎo)型呈蜂巢晶格的(de)二(èr)維碳納米(mǐ)材料，石(dàn)墨(mò)烯就(jiù)是(shì)相當于(yú)切(qiè)薄的(de)石(dàn)墨(mò)材料，1mm厚度(dù)的(de)石(dàn)墨(mò)大(dà)约就(jiù)包(bāo)含有(yǒu)300万(wàn)层(céng)的(de)石(dàn)墨(mò)烯。

 

　　石(dàn)墨(mò)烯除了(le)韌性(xìng)好(hǎo)強(qiáng)度(dù)高(gāo)，其(qí)实還(huán)具有(yǒu)非(fēi)常好(hǎo)的(de)導热(rè)性(xìng)和(hé)導電(diàn)性(xìng)，被稱之(zhī)为(wèi)21世紀最(zuì)神奇的(de)材料，在(zài)太陽能(néng)技術(shù)、快速充電(diàn)技術(shù)、新材料電(diàn)池等領域的(de)應(yìng)用(yòng)中，石(dàn)墨(mò)烯也發(fà)揮着其(qí)重(zhòng)大(dà)的(de)作(zuò)用(yòng)，美(měi)國(guó)麻(má)省(shěng)理(lǐ)工學(xué)院(yuàn)已成(chéng)功研制出(chū)表(biǎo)面(miàn)附有(yǒu)石(dàn)墨(mò)烯納米(mǐ)塗层(céng)的(de)柔性(xìng)光(guāng)伏電(diàn)池闆，石(dàn)墨(mò)烯太陽能(néng)技術(shù)的(de)光(guāng)電(diàn)轉(zhuǎn)換效率高(gāo)达(dá)60%，是(shì)現(xiàn)有(yǒu)多(duō)晶矽太陽能(néng)技術(shù)的(de)2倍。

 

　　美(měi)國(guó)加州大(dà)學(xué)洛杉矶分(fēn)校(xiào)的(de)研究人(rén)員也開(kāi)發(fà)出(chū)一(yī)種(zhǒng)以(yǐ)石(dàn)墨(mò)烯为(wèi)基礎的(de)微型超級電(diàn)容器，該電(diàn)容器不(bù)僅外(wài)形小巧，而(ér)且(qiě)充電(diàn)速度(dù)为(wèi)普通(tòng)電(diàn)池的(de)1000倍。而(ér)最(zuì)讓人(rén)吸引眼(yǎn)球的(de)亮(liàng)點(diǎn)是(shì)石(dàn)墨(mò)烯電(diàn)池，曾經(jīng)西(xī)班(bān)牙(yá)一(yī)家(jiā)以(yǐ)工業規模生(shēng)産石(dàn)墨(mò)烯的(de)Graphenano公(gōng)司同(tóng)西(xī)班(bān)牙(yá)科爾瓦(wǎ)多(duō)大(dà)學(xué)合作(zuò)開(kāi)發(fà)出(chū)首例石(dàn)墨(mò)烯聚合材料電(diàn)池，其(qí)储電(diàn)量是(shì)目前市场(chǎng)最(zuì)好(hǎo)産品的(de)三(sān)倍，用(yòng)此(cǐ)電(diàn)池提(tí)供電(diàn)力的(de)電(diàn)動(dòng)車最(zuì)多(duō)能(néng)行駛1000公(gōng)里(lǐ)，而(ér)其(qí)充電(diàn)时(shí)間(jiān)不(bù)到(dào)8分(fēn)鐘(zhōng)，石(dàn)墨(mò)烯确实是(shì)一(yī)種(zhǒng)神奇的(de)材料。

 

　　首例石(dàn)墨(mò)烯芯片(piàn)誕生(shēng)

 

　　石(dàn)墨(mò)烯在(zài)慢(màn)慢(màn)的(de)發(fà)展(zhǎn)中，也将成(chéng)了(le)矽材料的(de)替代(dài)品，由(yóu)于(yú)矽材料的(de)本(běn)身(shēn)特(tè)性(xìng)限制，使得目前矽基芯片(piàn)的(de)继續提(tí)升性(xìng)能(néng)越来(lái)越難，目前台(tái)積電(diàn)也在(zài)進(jìn)行着2nm工藝矽基芯片(piàn)制作(zuò)工藝的(de)研究，而(ér)2nm也被网友们稱之(zhī)为(wèi)矽基材料的(de)极(jí)限，科學(xué)家(jiā)们也都在(zài)尋求一(yī)種(zhǒng)新的(de)芯片(piàn)材料，而(ér)正在(zài)風(fēng)口上(shàng)的(de)石(dàn)墨(mò)烯材料必然備受關(guān)注。美(měi)國(guó)《大(dà)衆科學(xué)》网站近(jìn)日(rì)報道(dào)，2012年(nián)，美(měi)國(guó)IBM公(gōng)司就(jiù)曾成(chéng)功研制出(chū)首款由(yóu)石(dàn)墨(mò)烯圆(yuán)片(piàn)制成(chéng)的(de)集成(chéng)電(diàn)路(lù)，據(jù)了(le)解(jiě)，該芯片(piàn)是(shì)建立在(zài)碳化(huà)矽上(shàng)，通(tòng)过(guò)石(dàn)墨(mò)烯场(chǎng)效應(yìng)管(guǎn)組成(chéng)的(de)，其(qí)工作(zuò)頻率可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)100G赫茲，雖(suī)然这(zhè)款芯片(piàn)的(de)工藝只(zhī)有(yǒu)550納米(mǐ)，也是(shì)人(rén)類(lèi)成(chéng)功制造出(chū)的(de)第(dì)一(yī)块(kuài)石(dàn)墨(mò)烯芯片(piàn)。

 

　　未来(lái)芯片(piàn)的(de)布局(jú)

 

　　2017年(nián)2月(yuè)，央視新聞頻道(dào)在(zài)播出(chū)了(le)《神奇的(de)石(dàn)墨(mò)烯》專題(tí)节目中提(tí)到(dào)，石(dàn)墨(mò)烯有(yǒu)望替代(dài)矽成(chéng)为(wèi)下(xià)一(yī)代(dài)芯片(piàn)的(de)主要(yào)材料。利用(yòng)石(dàn)墨(mò)烯制造新一(yī)代(dài)電(diàn)子器件(jiàn)，有(yǒu)望使我(wǒ)國(guó)在(zài)芯片(piàn)制造業彎道(dào)超車，达(dá)到(dào)國(guó)際領先水(shuǐ)平。不(bù)負衆望，北(běi)京(jīng)大(dà)學(xué)张(zhāng)志勇、彭練矛課題(tí)組在(zài)美(měi)國(guó)著名(míng)《科學(xué)》專刊(kān)中發(fà)表(biǎo)論文(wén)稱：通(tòng)过(guò)使用(yòng)碳納米(mǐ)管(guǎn)在(zài)4英寸(cùn)基底中獲得了(le)間(jiān)隔为(wèi)5nm的(de)垂直(zhí)有(yǒu)序排列的(de)碳納米(mǐ)管(guǎn)阵(zhèn)列。成(chéng)功搭建出(chū)新一(yī)代(dài)碳基集成(chéng)電(diàn)路(lù)，而(ér)碳納米(mǐ)管(guǎn)的(de)制作(zuò)就(jiù)是(shì)通(tòng)过(guò)石(dàn)墨(mò)烯卷(juǎn)曲(qū)而(ér)成(chéng)。这(zhè)也是(shì)一(yī)種(zhǒng)以(yǐ)碳基为(wèi)主材料的(de)芯片(piàn)，被网友们稱之(zhī)为(wèi)碳基芯片(piàn)。

 

　　雖(suī)然石(dàn)墨(mò)烯有(yǒu)着美(měi)好(hǎo)的(de)應(yìng)用(yòng)场(chǎng)景，但是(shì)從实验室(shì)走(zǒu)上(shàng)商用(yòng)化(huà)，還(huán)有(yǒu)很长(cháng)的(de)路(lù)要(yào)走(zǒu)。通(tòng)过(guò)对(duì)石(dàn)墨(mò)烯的(de)的(de)研究發(fà)現(xiàn)，这(zhè)種(zhǒng)材料确实可(kě)以(yǐ)稱得上(shàng)是(shì)21世紀最(zuì)神奇的(de)材料，使用(yòng)石(dàn)墨(mò)烯可(kě)以(yǐ)制作(zuò)出(chū)柔性(xìng)彎曲(qū)的(de)屏幕，還(huán)可(kě)以(yǐ)讓電(diàn)動(dòng)汽車的(de)充電(diàn)时(shí)間(jiān)縮短(duǎn)到(dào)幾(jǐ)个(gè)小时(shí)甚至(zhì)幾(jǐ)十(shí)分(fēn)鐘(zhōng)。而(ér)在(zài)集成(chéng)電(diàn)路(lù)的(de)應(yìng)用(yòng)中，因(yīn)为(wèi)其(qí)超強(qiáng)的(de)導電(diàn)性(xìng)，也被意(yì)为(wèi)下(xià)一(yī)代(dài)原材料的(de)首選。但由(yóu)于(yú)常温(wēn)下(xià)制作(zuò)高(gāo)純度(dù)的(de)石(dàn)墨(mò)烯成(chéng)本(běn)太高(gāo)，技術(shù)並(bìng)不(bù)成(chéng)熟，而(ér)只(zhī)是(shì)更(gèng)多(duō)地(dì)被當作(zuò)一(yī)種(zhǒng)添加劑使用(yòng)，这(zhè)也限制了(le)石(dàn)墨(mò)烯向(xiàng)更(gèng)高(gāo)領域的(de)發(fà)展(zhǎn)，當然在(zài)石(dàn)墨(mò)烯的(de)研發(fà)應(yìng)用(yòng)中，各(gè)國(guó)也都在(zài)抓緊研發(fà)，相信(xìn)在(zài)未来(lái)不(bù)久，石(dàn)墨(mò)烯的(de)制作(zuò)工藝能(néng)迎来(lái)新的(de)突破，石(dàn)墨(mò)烯材料能(néng)更(gèng)一(yī)步造福人(rén)類(lèi)。